CN101028199A - 借助多能量计算机断层造影确定体内物质浓度的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定物质在由两种不同的物质成分以未知比例组成的身体物质中的浓度的方法以及装置。在该方法中在两种不同的X射线频谱分布下记录该身体物质的两张计算机断层造影照片，从这两张计算机断层造影照片中再现两个图像数据组(1，2)。将两个图像数据组(1，2)的每个感兴趣体素的X射线衰减值x分解为3个物质成分。该分解在以下假设下进行：身体物质的X射线衰减值xM在没有该物质的情况下由第一和第二物质成分的X射线衰减值xM1、xM2按照以下方程组成：xM＝f*xM1+(1－f)*xM2，其中f对应于身体物质中第一物质成分的体积含量。然后基于该分解针对每种感兴趣体素确定该物质的浓度。利用本方法和对应的装置可以简单而又可靠地确定浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定物质在由两种不同的物质成分以未知比例组成的身体物质(Krpermaterial)中的浓度的方法，其中利用多能量计算机断层造影设备在两种不同的X射线频谱分布下记录该身体物质的两张计算机断层造影照片，并从这两张计算机断层造影照片中再现两个图像数据组，由这两个图像数据组确定对于每个感兴趣的体素的物质浓度。本发明还涉及一种用于实施该方法的装置。
本发明的主要应用领域涉及确定在人类患者或动物患者的身体物质中的造影剂浓度，尤其是肝脏中的造影剂浓度。
背景技术
为了借助计算机断层造影设备(CT)确定造影剂浓度，迄今公知有两种不同的技术。从而可以分别在注射造影剂之前和之后记录应当测量出造影剂浓度的身体部位的计算机断层造影照片。在配准两张在此过程中获得的CT图像之后将这两张CT图像相减，以针对每个图像点或每个体素获得由造影剂引起的X射线衰减值的升高。该X射线衰减值的升高与造影剂的浓度成正比。但是，由于在此过程中需要不同时刻的计算机断层造影照片而可能出现配准伪影或运动伪影，这些伪影可能导致错误的确定。此外，在采用只能在身体物质中缓慢聚集的造影剂时，必须在两个计算机断层造影照片之间保持不期望的长等待时间。
第二种公知技术利用多能量计算机断层造影设备同时记录两张具有不同X射线频谱分布、即不同X射线能量的计算机断层造影照片。在该技术的变形中首先针对两种X射线能量分开地再现图像数据组。接着将对每个体素所测量的X射线衰减值分解为两种基本物质的分子密度(两种物质分解)，其中一种基本物质为造影剂。根据两个由该分解产生的方程可以针对每个体素确定两个未知数、即两种基本物质的浓度。但是，对于很多身体物质该技术不会产生令人满意的结果，因为对所有包含在身体物质中的物质成分很难预见该分解。因此将该技术用于确定在通常还包含较多脂肪的肝脏中的造影剂浓度会导致难以解释这两种基本物质形成的混合物。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种用于定量地确定物质、尤其是造影剂在身体物质中的浓度的方法和装置，其可以通过简单的方式可靠地确定浓度。
在本方法中，利用多能量计算机断层造影设备、尤其是利用所谓的双能量计算机断层造影设备在X射线的两种不同频谱分布下记录两张身体物质的计算机断层造影照片。利用两种不同X射线能量的记录在此优选同时进行。按照公知方式由该计算机断层造影照片的测量数据再现出两个包含X射线衰减值x的图像数据组。X射线衰减值在此既可以理解为衰减系数μ，又可以理解为从该衰减系数推导出的值如CT值。在本方法中，将两个图像数据组的每个感兴趣体素的X射线衰减值x分解为3个物质成分的X射线衰减值。这3个物质成分是身体物质的两种不同物质成分以及一种应当确定浓度的物质。当然身体物质的两种不同物质成分在此不必是化学上的纯材料，而是也可以是材料的混合物。在本方法中，X射线衰减值的分解在以下假设条件下进行：身体物质的X射线衰减值xM在没有该物质的情况下由第一和第二物质成分的X射线衰减值xM1、xM2按照以下方程组成：
xM＝f*xM1+(1-f)*xM2 (1)
其中f对应于身体物质中第一物质成分的体积含量。然后基于该分解针对每种感兴趣体素确定该物质的浓度。这是可行的，因为对每个体素来说分别给出总共有两个未知数的两个方程(对应于两个图像数据组)，即第一物质成分的体积含量f以及在身体物质中聚集的物质的浓度c。
因此在本方法的优选实施方式中，也通过求解以下两个方程的方程组而确定所述物质的浓度：
xE1＝c*xKM，E1+f*xM1，E1+(1-f)*xM2，E1
xE2＝c*xKM，E2+f*xM1，E2+(1-f)*xM2，E2 (2)
其中xE1/E2对应于来自在X射线的不同频谱分布或能量E1、E2下的两个图像数据组的X射线衰减值，c对应于所述物质在身体物质中的浓度。在不同X射线能量E1、E2时的X射线衰减值xM1、xM2是已知的，例如可以从表中查出。同样的也适用于待确定物质的X射线衰减值xKM。该X射线衰减值必要时也可以事先通过例如采用水模型单独进行的校准测量来确定。
本方法和对应的装置利用了实际上很多物质只以近似恒定的密度出现在人体和动物体内这一知识。以该特性为基础，两种物质组成的混合物在CT照片中也不是以任意的X射线衰减值出现的。这例如针对肝脏组织可以通过实验来证明。肝脏组织的CT值随着储藏的脂肪的含量增加而线性降低。此外还公知在计算机断层造影设备的不同管电压下、即不同X射线能量下的X射线衰减值之差是脂肪含量的线性函数。这一关系可以转用到其它身体物质上，并在本方法和对应的装置中得到利用，其方法是在分解X射线衰减值时考虑方程(1)。
因此本方法和装置适用于简单和直接测量或确定物质在身体物质中的浓度，该测量在很多情况下提供了比目前采用的两种物质分解更为可靠的结果。但是，应当确定其浓度的物质在此会引起在CT照片中X射线衰减值的明显升高。这在确定造影剂浓度时可以毫无困难地给出。
在本方法以及对应装置的优选应用中，确定在肝脏中的造影剂浓度。在此脂肪和肝脏组织就是在本方法中用于分解的两种物质成分。尽管在肝脏中还典型地存在其它物质，但这种唯一地分类为由脂肪和组织组成的混合物可以导致对造影剂浓度的正确确定。
在本方法和对应装置的优选实施方式中，根据至少一个图像数据组以及事先确定的浓度针对每个体素或感兴趣体素在相应图像数据组中计算由所述物质引起的X射线衰减值的升高。然后将X射线衰减值的升高作为图像显示，在该图像中用对应于所述物质的相应浓度的灰度标示出聚集了所述物质的区域。在另一个同样计算X射线衰减值的升高的优选实施方式中，将计算出的升高与相应图像数据组的X射线衰减值相减，从而可以获得和显示没有所述物质的图像，下面将其称为虚拟的原始图像(Nativbild)。
本发明的装置包括多能量计算机断层造影设备，其用于在不同的X射线能量或不同的X射线频谱分布下同时记录身体物质的两张计算机断层造影照片；图像再现单元，用于根据这两张计算机断层造影照片再现两个图像数据组；以及确定模块，用于针对每个感兴趣体素确定和输出所述物质的浓度。该确定模块在本发明的装置中实施为用于执行本方法的分解步骤和计算步骤。从而该确定模块尤其是将两个图像数据组的每个感兴趣体素的X射线衰减值x分解为三种物质成分的X射线衰减值，以从中在本方法所采用的假设条件下确定出所述物质的浓度。
在此，本发明的方法和对应的装置不仅可以用于确定在肝脏中的造影剂浓度，而且还可以用于确定在其它身体物质中的造影剂浓度或其它物质的浓度，只要该身体物质可以近似地按照在本方法中采用的假设条件而表示为由两种物质成分组成的混合物。这例如对于由水和理想的软组织组成的混合物也是如此。所涉及的身体物质的两种物质成分在此不必是化学的纯物质，因为即使在肝脏中肝脏组织的物质成分也包含水。将一种物质成分逐步地替换为另一种含量不变的第三成分也可以表示为只由两种已知密度的物质成分组成的混合物。
本方法以及对应装置的特殊应用涉及将身体物质中的骨骼和造影剂区分开来。为此，作为物质成分除了造影剂之外还使用组织(类似于血液和红色的骨骼标记)和理想的骨骼。原则上在体内应当只出现由组织和造影剂组成的理想混合物以及由组织和骨骼组成的混合物。实践中例如黄色骨骼标记的存在虽然会导致与这些理想混合物有所偏差，但利用本方法和对应的装置也可以在这种情况下实现骨骼和含有造影剂的部位之间的期望的分离。
附图说明
下面借助实施例结合附图非限制性地再次简要解释本发明的方法和对应的装置。在此：
图1示出用于表示本发明方法中所述关系的第一图表；
图2示出用于表示本发明方法中所述关系的第二图表；
图3示出本发明方法方法流程的例子；
图4以示意图的方式示出本发明装置的例子。
具体实施方式
下面借助对患者肝脏内的造影剂浓度的确定再次详细解释本发明的方法和对应的装置。对于肝脏组织，可以通过实验证明由纯肝脏组织和脂肪形成的混合物在具有恒定X射线能量或恒定X射线频谱的计算机断层造影照片中不可能以任意CT值出现。公知在储藏了脂肪时肝脏组织的CT值线性降低。对此在文献中给出每增加10％的脂肪含量就降低大约15HU。此外还公知，管电压为80kV时的CT值和管电压为140kV时的CT值之差是脂肪含量的线性函数。基于该事实假定，对两个管电压来说近似地给出CT值x与脂肪含量f的以下线性相关关系：
x＝f*x脂肪+(1-f)*x组织。
在此x脂肪和x组织表示纯物质的取决于管电压的CT值。如果绘制管电压为80kV时的CT值对管电压为140kV时的CT值，则由脂肪和组织形成的所有可能的混合物一定都位于一条直线上。在图1中示出该情况。
在该模型中添加造影剂将导致两个CT值增加。由于造影剂本身在浓度较低时引起很大的吸收，因此CT值随着混合的造影剂的浓度近似线性地增加，其中比例常数并不取决于物质，也就是特殊的脂肪/组织混合物。因此可以按照图2扩大图1所示的图。由此可以针对该图中的每个点确定脂肪含量f和造影剂浓度c。
以任意一个点P为例，可以通过将该点投影到脂肪和组织之间的直线上确定脂肪含量f和浓度c。此外可以从该图表中确定针对80kV的管电压以及140kV的管电压的CT值的升高ΔxKM(＝c*xKM)。将该方法用于包含骨骼和组织的身体物质也能得到类似的图表。在这种情况下在图2的图表中将脂肪替换为组织，将组织替换为骨骼物质。
肌肉组织和水这样的物质在检查肝脏时同样也近似地位于脂肪-组织直线上。因此利用针对脂肪和组织的参数将典型地在肝脏中出现的所有物质分类为由脂肪和组织形成的混合物，即便如此也总是正确地确定造影剂浓度c。通过正确确定造影剂浓度可以产生虚拟的原始图像(Nativbild)，其方法是将通过造影剂引起的CT值升高从相应的图像中减去。
图3示出在本发明方法中该措施的例子。利用双能量计算机断层造影设备分别在80kV和140kV的不同管电压下同时拍摄两张CT照片，并根据该测量数据再现出对应的CT图像1、2。根据本方法分解CT图像1、2中包含的X射线衰减值，如图3所示，以位置分辨地确定造影剂的浓度。基于该分解一方面计算和显示造影剂图像3，另一方面计算和显示虚拟的原始图像4。造影剂图像和原始图像的整个分解和计算过程都在图4中示意性示出的计算机断层造影设备6的确定模块5中进行。该计算机断层造影设备6包括图像计算机7，其中实施了图像再现单元8以及确定模块5。由确定模块5输出的图像显示在与图像计算机7连接的监视器9上。
Claims (11)
1.一种用于确定物质在由两种不同的物质成分以未知比例组成的身体物质中的浓度的方法，包括以下方法步骤：
利用多能量计算机断层造影设备(6)在两种不同的X射线频谱分布下记录该身体物质的两张计算机断层造影照片，
从这两张计算机断层造影照片中再现两个图像数据组(1，2)，其中该图像数据组(1，2)包含X射线衰减值x，
将两个图像数据组(1，2)的每个感兴趣体素的X射线衰减值x分解为3个物质成分的X射线衰减值，在这3个物质成分中第一物质成分和第二物质成分是该身体物质的两种不同物质成分，第三物质成分是所述物质，
其中该分解在以下假设下进行：身体物质的X射线衰减值xM在没有该物质的情况下由第一和第二物质成分的X射线衰减值xM1、xM2按照以下方程组成：
xM＝f*xM1+(1-f)*xM2
其中f对应于身体物质中第一物质成分的体积含量，以及
基于该分解针对每种感兴趣体素确定该物质的浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述物质浓度的确定通过求解以下针对根据f和c的X射线的不同频谱分布E1和E2的方程组来进行：
xE1＝c*xKM，E1+f*xM1，E1+(1-f)*xM2，E1
xE2＝c*xKM，E2+f*xM1，E2+(1-f)*xM2，E2
其中xE1/E2对应于来自在X射线的不同频谱分布下的两个图像数据组(1，2)的X射线衰减值，c对应于所述物质在身体物质中的浓度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定造影剂在身体物质中的浓度。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定造影剂在肝脏中的浓度，其中所述第一物质成分是脂肪，第二物质成分是组织。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一个图像数据组(1，2)中确定由所述物质引起的X射线衰减值的升高，并作为图像(3)显示。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一个图像数据组(1，2)中确定由所述物质引起的X射线衰减值的升高，并通过与该图像数据组(1，2)的X射线衰减值相减而计算和显示原始图像(4)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述两张计算机断层造影照片是同时记录的。
8.一种用于确定物质在由两种不同的物质成分以未知比例组成的身体物质中的浓度的装置，包括
多能量计算机断层造影设备(6)，其用于在X射线的不同频谱分布下同时记录该身体物质的两张计算机断层造影照片，
图像再现单元(8)，用于根据这两张计算机断层造影照片再现两个图像数据组(1，2)，以及
确定模块(5)，将两个图像数据组(1，2)的每个感兴趣体素的X射线衰减值x分解为3个物质成分的X射线衰减值，在这3个物质成分中第一物质成分和第二物质成分是该身体物质的两种不同物质成分，第三物质成分是所述物质，
其中该分解在以下假设下进行：身体物质的X射线衰减值xM在没有该物质的情况下由第一和第二物质成分的X射线衰减值xM1、xM2按照以下方程组成：
xM＝f*xM1+(1-f)*xM2
其中f对应于身体物质中第一物质成分的体积含量，以及
基于该分解针对每种感兴趣体素确定和输出该物质的浓度。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述确定模块(5)这样构成，其通过求解以下针对根据f和c的X射线的不同频谱分布E1和E2的方程组来确定所述物质的浓度：
xE1＝c*xKM，E1+f*xM1，E1+(1-f)*xM2，E1
xE2＝c*xKM，E2+f*xM1，E2+(1-f)*xM2，E2
其中XE1/E2对应于来自在X射线的不同频谱分布下的两个图像数据组(1，2)的X射线衰减值，c对应于所述物质在身体物质中的浓度。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述确定模块(5)这样构成，其在至少一个图像数据组(1，2)中确定由所述物质引起的X射线衰减值的升高，并作为图像(3)输出到图像显示装置(9)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述确定模块(5)这样构成，其在至少一个图像数据组(1，2)中确定由所述物质引起的X射线衰减值的升高，通过与该图像数据组(1，2)的X射线衰减值相减而计算原始图像(4)，并输出到图像显示装置(9)。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |